植物のペルオキシソームは、「脂肪酸の分解」、「光呼吸」、「植物ホルモンの合成」といった植物の生育にとって非常に重要な代謝反応が行われる細胞内小器官の一つです。ペルオキシソーム内で行われる代謝は、過酸化水素が産生されるという特徴があり、ペルオキシソーム自体も徐々に酸化によるダメージを受けます。今回、基礎生物学研究所 高次細胞機構研究部門の柴田美智太郎 大学院生、及川和聡 研究員（現、新潟大学農学部）および西村幹夫 教授らの研究グループは、シロイヌナズナにおいて、ダメージを受けたペルオキシソームがオートファジーという仕組みによって選択的に分解を受けていることを示し、オートファジーがペルオキシソームの品質管理機構として機能していることを明らかにしました。この成果は、植物科学専門誌The Plant Cell 2013年12月24日号にて発表されました。また、同誌巻頭で本研究が注目記事として紹介されています。

【研究の背景】

ペルオキシソームは真核生物に普遍的に存在する細胞内小器官の一つです。植物のペルオキシソームでは、「脂肪酸の分解」、「光呼吸」、「植物ホルモンの合成」といった植物の生育にとって非常に重要な代謝反応が行われていますが、その代謝の特徴は、過酸化水素が産生されるという点です。過酸化水素は活性酸素種の一種であり、非常に酸化力の高い分子です。そのため、徐々にペルオキシソーム自体も酸化されて、その機能を失っていくと考えられています。

【研究の成果】

ペルオキシソームは植物細胞内において、互いに独立して（離れて）存在しています（図１ 左上）。研究グループはペルオキシソームの細胞内局在を指標とした変異株（peroxisome unusual positioning, peup）のスクリーニングを行い、ペルオキシソームの凝集体が生じる変異株、peup1を単離しました（図１ 右上）。また、このpeup1変異株は野生株と比較して、老化が促進されるという表現型も示しました（図１ 下）。

図1　ペルオキシソームを可視化した野生株（左）とpeup1変異株（右）

（上）ペルオキシソームが緑色、葉緑体が赤色で示されている。矢印はペルオキシソームの凝集体を示している。（下）発芽後40日後の植物体。

　研究グループは、このpeup1変異株における異常なペルオキシソームの凝集体に着目して解析を進め、それが酸化され機能の低下したペルオキシソームの塊であることを明らかにしました。また、この変異体はオートファジーという機構が欠損した変異体であることがわかりました。オートファジーは細胞内小器官等を分解する機構として知られています。変異体での異常なペルオキシソームの蓄積は、オートファジーの欠損によって引き起こされていました。オートファジーのマーカーであるATG8とペルオキシソームを同時に観察したところ、オートファジーはペルオキシソームの凝集体に対して選択的に機能していることが見出されました（図2）。これらの結果は、酸化したペルオキシソームがオートファジーによって選択的に分解を受けていることを示しています。

図2　オートファゴソームの可視化

オートファジーのマーカーであるATG8（赤）はペルオキシソーム（緑）の凝集体と共局在する。

【本研究の意義と今後の展開】

オートファジーによって、酸化したペルオキシソームが選択的に取り除かれている、という本研究の結果は、オートファジーがペルオキシソームの品質管理として重要な役割を担っていること（図3）を示しています。

　今後は、異常なペルオキシソームがどのようにして識別されているのか、という本研究から見出された課題を解明し、細胞生物学のさらなる発展に寄与していくことが期待されます。

図3　オートファジーによるペルオキシソームの品質管理

細胞の中で機能の低下したペルオキシソームが選択的にオートファジーによって液胞へと輸送され分解される。

【掲載誌情報】

The Plant Cell　２０１３年１２月２４日号

論文タイトル：Highly Oxidized Peroxisomes Are Selectively Degraded via Autophagy in Arabidopsis thaliana

(オープンアクセスで全文をお読みいただけます）

著者：Michitaro Shibata, Kazusato Oikawa, Kohki Yoshimoto, Maki Kondo, Shoji Mano, Kenji Yamada, Makoto Hayashi, Wataru Sakamoto, Yoshinori Ohsumi, and Mikio Nishimura

【研究サポート】

本研究は、文部科学省科学研究費助成事業および日本学術振興会（特別研究員奨励費）のサポートを受けて行われました。

【本研究に関する問い合わせ先】

基礎生物学研究所　高次細胞機構研究部門

教授： 西村 幹夫

TEL： 0564-55-7500

E-mail： mikosome@nibb.ac.jp

[報道担当]

基礎生物学研究所 広報室

Tel: 0564-55-7628

Fax: 0564-55-7597

E-mail: press@nibb.ac.jp